[发明专利]一种用于油中溶解气体检测的光纤光声传感系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于油中溶解气体检测的光纤光声传感系统，包括激光光源、传感通道、探测光源、光纤耦合器、参考通道、高速光谱仪和信号采集与处理模块，所述传感通道上设有传感光纤，传感光纤侧面开孔且浸入变压器油中，激光光源发射的激光入射到传感通道的传感光纤；信号采集与处理模块采集高速光谱仪的光谱信号后计算参考通道和传感通道的光程差，根据光程差的变化得出传感光纤中光声信号的幅度，根据光声信号幅度与油中溶解气体的浓度对应关系得出油中溶解气体的浓度；本发明的优点在于：抗干扰性能较好，能够直接测量油气溶解气体，且采用的传感光纤能够置于变压器这类绝缘设备内部。

技术领域

本发明涉及高电压电气设备在线监测技术领域，更具体涉及一种用于油中溶解气体检测的光纤光声传感系统及方法。

背景技术

浸油式电力变压器在运行过程中，过热或者放电等故障使绝缘油分子裂解产生小分子特征气体，如甲烷、乙烷、乙烯和乙炔等。对这些故障特征气体的分析中，通常采用气相色谱和光声光谱技术。其中，光声光谱技术因其具有灵敏度高、免维护的特点，正逐步替代气相色谱法。

2003年，英国Kelman公司率先研制出基于黑体辐射红外宽谱光源的光声光谱油中溶解气体分析设备，可对油中多种特征气体进行在线监测。然而，高电压电气绝缘设备附近的强电磁环境使得传统的光声光谱装置易受干扰，影响了变压器油中溶解气体浓度测量的稳定性和可靠性。此外，需要利用油泵将油样抽入到分析仪器中，分析仪器内部复杂的油路管道带来了变压器油溢出的安全隐患。光纤光声传感是一种新的微量气体检测技术，其基本原理是利用光纤声波传感器件检测气体吸收产生的光声压力波信号，具有抗电磁干扰、远距离测量、可分布传感等多诸多优点。光声激发光和光声探测光均采用光纤传输，实现了光声探头的无源化和微型化。文献Chen Ke,Guo Min,Liu Shuai,et al.Fiber-opticphotoacoustic sensor for remote monitoring of gas micro-leakage[J].Opticsexpress,2019,27(4):4648-4659报道了一种微型的光纤光声气体传感器，激光通过光纤传输到光声探头中，扩散到探头中的目标气体吸收激光能量产生光声信号。然而，悬臂梁对变压器的振动也十分敏感，导致抗干扰性能较差。此外，该传感器无法直接测量油气溶解气体，且该方案中采用的金属传感器无法置于变压器这类绝缘设备内部。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术光纤光声传感器抗干扰性能较差，无法直接测量油气溶解气体，且采用的金属传感器无法置于变压器这类绝缘设备内部的问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种用于油中溶解气体检测的光纤光声传感系统，包括激光光源、传感通道、探测光源、光纤耦合器、参考通道、高速光谱仪和信号采集与处理模块，所述传感通道上设有传感光纤，传感光纤侧面开孔且浸入变压器油中，激光光源发射的激光入射到传感通道的传感光纤；探测光源发射的宽谱光经光纤耦合器后被分成两束，其中一束光经过传感通道入射到传感光纤中，经反射后入射到高速光谱仪；从光纤耦合器发射出来的另一束光经参考通道后被反射，入射到高速光谱仪；信号采集与处理模块采集高速光谱仪的光谱信号后计算参考通道和传感通道的光程差，根据光程差的变化得出传感光纤中光声信号的幅度，根据光声信号幅度与油中溶解气体的浓度对应关系得出油中溶解气体的浓度。

本发明将开孔的传感光纤直接浸入变压器油中，直接测量油气溶解气体，且采用的传感光纤能够置于变压器这类绝缘设备内部，通过计算参考通道和传感通道的光程差，计算两个通道的光程差能够抵消两个通道中的干扰信号，只保留传感光纤中光声信号，根据光程差的变化得出传感光纤中光声信号的幅度，根据光声信号幅度与油中溶解气体的浓度对应关系得出油中溶解气体的浓度，整个系统抗干扰性能好。